CN111378894B - 一种表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料及制造方法 - Google Patents

一种表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料及制造方法，其成分重量百分比为：C≤0.15％，Si≤1％，Mn≤1.5％，其余为Fe和不可避免的杂质，且所述钢铁材料的表层为铁素体组织，内层为铁素体+珠光体组织。其制造方法包括：冶炼、铸造、轧制、热处理；其中，所述热处理步骤中，将钢铁材料加热到奥氏体温度Ac3以上，保温3min以上，保证材料完全奥氏体化；随后以小于0.5℃/s的冷却速度冷却到Ar1以下的温度。本发明钢铁材料不需要对两种材料进行复合，只在单一材质，单个材料上进行加工制备，流程短，工序简单，成本低。

Description

一种表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料及制造 方法
技术领域
本发明涉及梯度钢铁材料，尤其涉及一种表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料及制造方法。
背景技术
钢铁材料的强度和塑性往往是较矛盾的两个性能指标，追求强度的同时往往难以获得较满意的塑性。而对一些用于扭转或者折弯的材料而言，其主要变形发生在材料表层，随着往芯部方向距离表面越来越远的同时，应变变得越来越小，对塑性要求越来越低，因此如果能开发一种表层塑性较好但强度稍低，内层塑性稍差但强度较高的材料，将非常有利于解决这个难题，表层材料满足表层大变形的同时，内层材料提供较高的强度。这种背景下，开发一种表层组织和内层组织不一样的梯度钢铁材料，则非常具有意义。
现有的解决方法主要是通过轧制复合、爆炸复合、粘结复合等方法实现不同材料的复合，这方面的专利较多，超过1000个。比如宝钢为首生产的轧制复合板，将不锈钢、镍基合金，钛钢等功能材料和碳钢等结构材料，通过组坯后轧制的方法复合到一起，获得既具有表层不锈钢、镍基合金，钛钢耐腐蚀等性能，又具有基体材料较高强度的复合板产品，实现了材料功能的进一步升级，中国专利CN201110045798.8、CN201310211969.9、CN201410707715.0、CN201310212003.7、CN201310213371.3、CN201510173144.1、CN201611223874.9、CN201510621011.6、CN201510173145.6等均是介绍此类复合轧制相关技术。此外爆炸复合也得到一些应用，此技术在表层金属上均布炸药并引爆，使得表层金属和基层金属复合，中国专利CN201520878950.4、CN201510738639.4、CN201620972383.3等则介绍这一类相关技术。也有很多专利通过粘结的方法，将金属或者非金属粘结到一起，获得满足功能需求的复合板，比如中国专利CN201720527381.8、CN201810506236.0、CN201711015280.3等。综合上述文献所公开的方法，目前主要通过不同的复合方法，将不同的材料经过冶金或者机械的方法，使两块或者多块材料结合到一起，使其具有不同的组织及特殊的功能。
为了研发出能够承受巨大温差的新型耐热材料，日本学者新野正之等首先提出了梯度材料的概念。梯度材料是一种新型复合材料，与传统的复合材料相比，梯度材料具有组织、力学性能等连续变化的特点，不存在明显的界面，可以有效缓解和消除由于界面处热应力破坏导致的材料失效。东北大学通过控制冷却对钢板进行单向冷却，使钢材组织产生梯度变化，表面分布具有高强度、高硬度和高耐磨性的组织，如马氏体和贝氏体组织等；而在材料的内部则分布具有高韧性、塑性较好的组织，如铁素体和珠光体组织等。这种组织呈梯度分布、两侧组织性能各有优势的材料，其高强度、高硬度一侧能够满足对强度和耐磨性的需求；高韧性、塑性良好的一侧，能够满足对韧性和加工变形的需求。
大变形技术也能够能够有效细化组织并实现材料组织或性能的梯度变化。目前应用较多的大变形技术有等角挤压(ECAP)、超声喷丸(USP)、表面机械研磨(SMAT)、高压扭转(HPT)等。以上研究均是依靠大变形技术细化组织的作用，在材料表面实现力学性能和组织的梯度变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料及制造方法，该钢铁材料不需要通过不同材料复合制备获得，仅对单一材质进行加工制备，同时该钢铁材料成分简单；本发明钢铁材料为有机统一的整体，内外组织虽然有差异，该差异为渐变过程，两者之间冶金结合强度良好；同时整个材料碳含量较低，保证了对良好的焊接性能。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料，其成分重量百分比为：C≤0.15％，Si≤1％，Mn≤1.5％，其余为Fe和不可避免的杂质，且所述钢铁材料的表层为铁素体组织，内层为铁素体+珠光体组织。
优选的，所述梯度钢铁材料的表层为铁素体组织，碳含量较低，不高于0.02wt％；内层碳含量较高，高于整个梯度钢铁材料的平均碳含量。
本发明所述的表层铁素体内层铁素体加珠光体的梯度钢铁材料的制造方法，其包括：冶炼、铸造、轧制、热处理；其中，所述热处理步骤中，将钢铁材料加热到奥氏体温度Ac3以上，保温3min以上，保证材料完全奥氏体化；随后以小于0.5℃/s的冷却速度冷却到Ar1以下的温度。
本发明方法的思路在于，在热处理时，将整个钢铁材料加热完全奥氏体化，然后通过缓慢冷却，使得材料表层优先获得铁素体组织，由于铁素体组织中碳的固溶度比较低，新生铁素体组织向内部奥氏体中排碳，这样就使得内部奥氏体组织趋于更加稳定。随着铁素体组织的进一步形核、长大，表层铁素体层越来越厚，中间奥氏体组织中的碳含量越来越高，并且组织越来越稳定。在随后进一步的冷却过程，内部的奥氏体组织转变为铁素体和珠光体的混合组织。
相对于轧制复合、爆炸复合和粘结复合的复合板，本发明仅对一种材料进行轧制及热处理，不需要将两种材料进行组坯等处理，同时最终获得的产品中，钢铁材料为有机统一的整体，内外组织虽然有差异，但该差异为渐变过程，两者之间冶金结合强度良好。
通过控制冷却对钢板进行单向冷却，使钢材组织产生梯度变化，表面分布具有高强度、高硬度和高耐磨性的组织，如马氏体和贝氏体组织等；而在材料的内部则分布具有高韧性、塑性较好的组织，如铁素体和珠光体组织等。而本发明获得的组织结构恰恰相反，表层为塑性较好的铁素体组织，内层为强度较高的贝氏体及铁素体组织，该组织有利于折弯及扭转等表层变形较大的加工方式。同时，本发明中，由于表层组织中的碳通过超长程扩散，转移到内层组织中，使得内部碳提高而增加强度，但材料整体碳含量不高，保持较好的焊接性能。
同时，本发明不需要通过大变形技术细化组织，从而在材料表面实现力学性能和组织的梯度变化，制备方法简单。
通过本发明方法获得的材料如图1所示下：材料外层组织为铁素体，如图1中虚线圈以外部分所示，内层组织为铁素体和珠光体的混合组织，如图1中虚线圈以内部分所示。
本发明的有益效果：
本发明表层为铁素体，内层铁素体+珠光体组织的钢铁材料，可以获得表层塑性较好的铁素体层，内层强度较高的铁素体和珠光体的混合组织，相比现有技术具有以下优点：
(1)本发明不需要对两种材料进行复合，只在单一材质，单个材料上进行加工制备。
(2)本发明方法流程短，工序简单，成本低。
(3)本发明钢板为有机统一的整体，两侧组织的差异为渐变过程，两层之间冶金结合强度良好。
(4)本发明中，由于表层组织中的碳通过超长程扩散，转移到内层组织中，使得内部碳提高而增加强度，但材料整体碳含量不高，保持较好的焊接性能。
附图说明
图1为本发明所述梯度钢铁材料的组织示意图；
图2为本发明制造方法实施例中的热处理工艺示意图；
图3为本发明实施例1试样整个截面的金相组织图。
图4为本发明实施例1试样近表层的金相组织图。
图5为本发明实施例1试样内部更大倍数的金相组织图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
本发明实施例成分参见表1，其余均为Fe和不可避免的杂质。其制造方法为：经过转炉或者电炉冶炼、加热、轧制获得的钢材，再进行热处理，最终得到表层铁素体内层铁素体+珠光体的梯度钢铁材料。
表2所示为本发明制造方法实施例中的热处理工艺。
图1所示为本发明所述梯度钢铁材料的组织，表层为铁素体组织，内层铁素体+珠光体的混合组织。图2所示为本发明制造方法的实施例中的热处理工艺。
参见图3，其所示为实施例1最终的金相组织。从图3可以发现，表层大约450um范围为铁素体组织，内层为铁素体和珠光体的混合组织。图4为试样近表层更大倍数的金相照片，可以看出表层组织为全铁素体组织，图5为试样内部更大倍数的金相照片，可以看出内层组织为铁素体和珠光体的混合组织。
表1 单位：重量百分比
实施例 C Si Mn P S
1 0.054 0.26 0.51 0.0054 0.0023
2 0.075 0.252 0.49 0.0044 0.0027
3 0.081 0.243 1.23 0.0052 0.0026
4 0.105 0.356 0.56 0.0048 0.0030
5 0.112 0.366 0.76 0.0051 0.0028
表2
实施例 加热温度 保温时间 缓冷速度 缓冷终了温度
1 950℃ 600s 0.05℃/s 200℃
2 950℃ 600s 0.10℃/s 600℃
3 1000℃ 300s 0.05℃/s 20℃
4 1000℃ 300s 0.2℃/s 200℃
5 1000℃ 300s 0.3℃/s 600℃

Claims (2)

1.一种表层铁素体内层铁素体+珠光体的梯度钢铁材料，其成分重量百分比为：C≤0.15％，Si≤1％，Mn≤1.5％，其余为Fe和不可避免的杂质，且，所述梯度钢铁材料的表层为塑性较好的铁素体组织，内层为铁素体+珠光体组织；所述梯度钢铁材料的表层为铁素体组织，碳含量较低，不高于0.02wt％；内层碳含量较高，高于整个梯度钢铁材料的平均碳含量。
2.如权利要求1所述的表层铁素体内层铁素体+珠光体的梯度钢铁材料的制造方法，其特征是，包括：冶炼、铸造、轧制、热处理；其中，所述热处理步骤中，将钢铁材料加热到奥氏体温度Ac3以上，保温3min以上，保证材料完全奥氏体化；随后以小于0.5℃/s的冷却速度冷却到Ar1以下的温度。
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